拓扑磁性超快磁电效应的研究

发布时间：2021-06-24 05:50

　　拓扑磁性结构由于其热稳定性高、尺寸小、状态特征多样化等优点,有望作为高密度非易失性磁存储器、信息处理器、传感器等新型磁电功能器件的基本单元,从而解决当前磁性器件的性能瓶颈。对拓扑磁孤子的磁电特性和电场可控性的探索研究,不仅可以使我们对磁性结构的拓扑相变有更深入的理解,而且还可以为下一代自旋电子器件的发展提供新的开发思路。得益于拓扑磁性结构中磁序的非共线分布及其衍生的磁电相互作用,基于inverseDzyaloshinskii–Moriya机制,通过外加电场和太赫兹脉冲,我们实现了拓扑磁性孤子（磁性Skyrmion、磁性涡旋）的超快、稳定以及可重复性电学控制,为磁性孤子的应用提供了重要的理论支持。具体内容如下:1)多铁性Skyrmion的电场调控。铁磁/铁电界面空间反射对称性的破缺,为电场控制Rashba自旋轨道耦合效应和Dzyaloshinskii–Moriya相互作用打开了物理通道,也为室温下多铁Skyrmion动力学的电场操控提供了实现途径。本文中我们首先分析了铁磁/铁电界面处自旋结构电场驱动的相变演化,给出了稳定Skyrmion晶格存在的条件。进而,通过适度调整外加电场的大小,获... 

【文章来源】：兰州大学甘肃省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

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五种典型拓扑磁性结构(a)磁畴壁[7]、(b)磁性涡旋[10,11]、(c)磁性Skyrmion[12–14]、(d)磁泡[15]、(e)麦纫[16,17]的自旋组态

理论，铁磁材料内部相邻原子的电子之间存在很强的“交换相互作用”，使得在无外磁场作用时，电子自旋磁矩能在小区域内自发地平行排列，形成自发磁化达到饱和状态的微小区域。这些区域称为“磁畴”。用磁畴理论可以解释铁磁质的磁化过程、磁滞现象、磁滞损耗以及居里点等物理现象。在每一个磁畴内，磁矩平行或反平行地有序排列，产生自发磁化，而不同磁畴的自发磁化矢量则随机排列。在磁畴的边界,磁矩从一个方向连续地过渡到另一个方向,从而形成磁畴壁(DW)。典型的磁畴壁有布洛赫畴壁(Blochwall)、奈尔畴壁(Neelwall)等(参考图1-2)。磁畴的形状、尺寸、磁畴壁的厚度由交换能、退磁场能、磁晶各向异性能及磁弹性能来决定。除了使用磁场操控，由于磁畴壁大多存在着手征特性，我们甚至还可以通过调节材料的DM相互作用(DMI)来驱动其运动[28]，以此构成的自旋电子器件受到了人们广泛的关注。图1-2:两种磁畴壁中磁矩的过渡方式：(a)布洛赫壁中磁矩过渡的方式，(b)奈耳壁中磁矩过渡的方式。（来自网络）由于硅基微电子器件和磁性硬盘基本上都是晶体管和磁位的二维阵列，因此开发成本更低、速度更快的器件的传统方法依赖于减小单个存储器元件或数据存储位的大校随着磁性纳米材料的飞速发展，基于自旋的逻辑器件、存储器件等由于存在着非易失性数据存储、极低的能量耗散、较高的存储密度和良好的可扩展性等众多优势，我们将有机会可以打破现有半导体材料的限制，进2

兰州大学博士学位论文拓扑磁性超快磁电效应的研究一步促进新一代自旋电子器件的产生。其中，以磁畴壁等拓扑结构为基本单元的体系甚至可以做成三维器件，利用拓扑孤子的快速运动、高密度构成等特点来处理和存储信息。图1-3:基于磁畴壁的赛道存储器示意图。A和B分别为U型和水平存储器的整体结构图。C和D分别为“读”、“写”设备。E为存储器阵列示意图。[7]比较典型的一种方法是“赛道”存储器，如图1-3所示，利用磁畴将信息存储在垂直排列在硅片表面的磁性材料高柱中。赛道是一个铁磁性纳米线，数据编码为沿该线一部分的磁畴图案。高自旋极化电流的脉冲沿着导线的长度连贯地移动整个畴壁图形穿过读写元件。纳米线的长度大约是畴壁图案的两倍，因此畴壁可以向任一方向移动。图1-3(A)展示了垂直配置的赛道通过将图案存储在垂直于基板平面的U形纳米线中，提供了最高的存储密度。此示意图显示了畴壁沿着U的一个分支移动之前和之后的情景，赛道中的磁性图案经过读和写器件再向上移动到另一个分支。图1-3(B)为水平配置中使用平行于基板平面的3


本文编号：3246505